第8章 压阻式传感器解读

三、影响压阻系数大小的因素
1、压阻系数与表面杂质浓度的关系
P型Si（π44)
π11
或
π44
N型Si（π11)
表面杂质浓度Ns（1/cm3)
•扩散杂质浓度增加，压阻系数减小
17
18
解释：

1 ne
•ρ：电阻率 • n：载流子浓度 •e：载流子所带电荷 •μ：载流子迁移率
•Ns↑→杂质原子数多→载流子多→ n↑→ρ↓
21
载流子浓度影响总结
Ns比较大时： a.π受温度影响小
b. Ns↑→ π↓→灵敏度↓
c.高浓度扩散，使p-n结击穿电压↓→绝缘电阻↓→漏电 →漂移→性能不稳定
结论：综合考虑灵敏度和温度误差，根据应
用条件适当选择载流子的浓度。
压阻效应的原因:
应力作用 晶格变形 能带结构变化 载流子浓度和迁移率变化
2 压阻式压力传感器原理和电路 • (1) 体型半导体应变片 • (2) 扩散型压阻式压力传感器 • (3) 测量桥路及温度补偿
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参考知识： 敏感元件加工技术
1.薄膜技术
薄膜技术是在一定的基底上 , 用真空蒸镀、溅 射、化学气相淀积（CVD）等工艺技术加工成 零点几微米至几微米的金属、半导体或氧化物 薄膜的技术。这些薄膜可以加工成各种梁、桥、 膜等微型弹性元件 , 也可加工为转换元件 , 有的 可作为绝缘膜 , 有的可用作控制尺寸的牺牲层 , 在传感器的研制中得到了广泛应用。
（1）体型半导体电阻应变片
1.
2.
结构型式及特点 测量电路
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1. 结构型式及特点
主要优点是灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍 横向效应和机械滞后极小 温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多
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体型半导体应变片的结构形式
1-P型单晶硅条 2-内引线 3-焊接电极 4-外引线
真空蒸镀
在真空室内,将待蒸发的材 料置于钨丝制成的加热器 上加热,当真空度抽到 0.0133Pa以上时,加大钨丝 的加热电流,使材料融化, 继续加大电流使材料蒸发, 在基底上凝聚成膜。如图 所示。
25
2 1 3
4
图中,1—真空室,2—基底 ,3—钨丝,4—接高真空泵。
溅射
在低真空室中,将待 溅射物制成靶置于 阴极,用高压（通常 在1000V以上）使 气体电离形成等离 子体,等离子中的正 离子以高能量轰击 靶面,使靶材的原子 离开靶面,淀积到阳 极工作台上的基片 上,形成薄膜,如图 所示。
(a )
(b )
(c)
1）如图(a)、(b)所示,先在单晶硅的（100）晶面生长一 层氧化层作为光掩膜,并在其上覆盖光刻胶形成图案,再浸 入氢氟酸中,进行氧化层腐蚀； 2）将此片置于各向异性的腐蚀液（如乙二胺＋邻苯二 酚＋水）对晶面进行纵向腐蚀,腐蚀出腔体的界面为（111 ）面,与（100）表面的夹角为54.74°,如图(c)所示。

恒流源
U 0 I R
电桥输出电压与ΔR成正比，环境温度的变化对其没有影响。
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（2） 扩散型压阻式压力传感器
压阻式压力传感器结构简图 1—低压腔 2—高压腔 3—硅杯 4—引线 5—硅膜片 采用N型单晶硅为传感器的弹性元件， 在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜
σ32
σ23 σ22
2
σ21
σ11
1
13
14
材料阻值变化
广义：


＝E
•六个独立的应力分量：
1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6
•六个独立的电阻率的变化率：
1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6
15 令：
例：
z
10
4 1 y -2 -2
z y x
1
1
x
•晶向、晶面、晶 面族分别为：
•晶向、晶面、晶 面族分别为：
1,1,1
2 , 2 ,1
1,1,1 1,1,1
2, 2,1 2, 2,1
11
例： （特殊情况）
z
0,0,1 0,1,0
y
1,0,0
x
对半导体材料而言，πl E >>(1+μ)，故(1+μ)项可以忽略
31 微型硅应变式传感器的一些基本结构
膜片 (a )
悬臂梁 (b )
硬中心 桥 支承膜 (d ) (e)
(c)
图(a)为方形平膜片结构,除用于压力传感器外,亦可用于电容 式传感器。图(b)为悬臂梁结构,可用于加速度传感器。图(c) 为桥式结构,图(d)为支撑膜结构,图(e)为E型膜（硬中心）结 构,这些都是常用于应变式传感器的结构。
1) 体型结构腐蚀加工
体型结构腐蚀加工常用化学腐蚀液（湿法）和 离子刻蚀（干法）技术（采用惰性气体）。
2)表面腐蚀加工——牺牲层技术
该工艺的特点是利用称为“牺牲层”的分离层, 形成各种悬式结构。
单晶硅立体结构的腐蚀加工过程
29
(1) 氧化的硅基片 热生成硅氧化膜 单晶硅(10 0) 面 基片 5 4.74 ° (2) 光刻和腐蚀氧化层 光敏胶 (3) 各向异性腐蚀硅 (11 1) 硅平面

对于恒压源电桥电路，考虑到环境温度变化的 影响，其关系式为：
U R Uo R RT
2. 测量电路

恒压源
U 0 UR /( R Rt )
电桥输出电压与ΔR / R成正比，输出电压受环境温度的影 响。R为应变片阻值， ΔR为应变片阻值变化， ΔRt为环境
温度变化受环境温度引起阻值的变化
14 24 34 44 54 64
15 25 35 45 55 65
16 1 26 2 36 3 46 4 56 5 66 6

•六个独立的应力分量：
正 应 力
1 11 2 22 3 33
剪 应 力
4 23 32
5 31 13 6 12 21
•六个独立的电阻率的变化率：
1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6
16
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利用半导体材料的压阻效应和集成电路技术制造的传 感器。 一、压阻效应及压阻系数
压阻效应：在半导体材料上施加作用力，其电阻率发生变化。
压阻式压力传感器
压阻式传感器的特点
4
灵敏度高:硅应变电阻的灵敏系数比金属应变片高50～100倍，故相应的传 分辨率高: 能分辨1mmH2O(9.8Pa)的压力变化。 体积小、重量轻、频率响应高:由于芯体采用集成工艺，又
由于微电子技术的进步，四个应变 电阻的一致性可做的很高，加之计 算机自动补偿技术的进步，目前硅 压阻传感器的零位与灵敏度温度系 数已可达10-5/℃数量级,即在压力传 感器领域已超过的应变式传感器的 水平。
压阻效应
R (1 2 ) R
金属材料 半导体电阻率

半导体材料
•杂质浓度Ns↑→ n↑→在应力作用下ρ的变化更小→ △ ρ↓ ↓→△ ρ/ ρ↓
的变化率减小 压阻系数减小
19
2、压阻系数与温度的关系 π
44
Ns小
Ns大
温度T
•温度升高时，压阻系数减小； •表面杂质浓度增加时，温度对压阻系数的影响 变小（下降速度变慢）。
20
解释：
•T↑→载流子获得的动能↑→运动紊乱程度↑ →μ↓→ρ↑→△ ρ/ ρ ↓→ π ↓ •Ns大， μ变化较小→ π变化小 •Ns小， μ变化大→ π变化大
26
2 1 5 4
－ 3 ＋
6 7
图中,1—靶,2—阴极,3—直流高压 ,4—阳极,5—基片,6—惰性气体 入口,7—接真空系统。
化学气相淀积（CVD）
化学气相淀积是将有待积淀物质的化合物升华成气体, 与另一种气体化合物在一个反应室中进行反应,生成固态 的淀积物质,淀积在基底上生成薄膜,如图所示。
电阻率的变化与应力分量之间的关系
1 11 2 21 3 31 4 41 5 51 6 61
12 22 32 42 52 62
wenku.baidu.com
13 23 33 43 53 63
密勒指数
密勒指数：截距的倒数化成的三个没有公 约数的整数。(方向余弦比的整数化表示）
y z cos cos cos 1 p p p x y z 1 r s t
9
表示方式
h, k , l
•表示晶向
•表示晶面 •表示晶面族
h, k , l h, k , l
对立方晶体来说，＜h,k,l＞晶向是（h,k,l) 晶面的法线方 向； {h,k,l}晶面族的晶面都与（h,k,l)晶面平行。
R l E l R
半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的， 而电阻率ρ的变化是由应变引起的 半导体单晶的应变灵敏系数可表示
K
R / R

lE
半导体的应变灵敏系数还与掺杂浓度有关，它随杂质的增加而减小
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压阻系数
一、单晶硅的压阻系数
3
σ33 σ31 σ13 σ12
Y(2) X(1) Z(3)
7
晶面表示方法
截距式：
z t
x y z 1 r s t
r,s,t－x,y,z轴的截距 r x
p
s
y
法线式：
x cos y cos z cos p
cosα,cosβ,cosγ－法线的方向余弦
法线 长度
8
密勒指数 x
1 1 1 cos : cos : cos : : r s t 1 1 1 取 : : h:k :l 三个没有公 r s t 约数的整数
第八章 压阻式传感器
• 1 半导体的压阻效应 • 2 压阻式压力传感器原理和电路 • (1) 体型半导体应变片 • (2) 扩散型压阻式压力传感器 • (3) 测量桥路及温度补偿 • 3 压阻式传感器的应用
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1
半导体的压阻效应
固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这 种效应称为压阻效应 半导体材料的压阻效应特别强。 压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。频率 响应高，体积小。它主要用于测量压力、加速 度和载荷等参数。 因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传 感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。
表面腐蚀加工——牺牲层技术形成硅梁过程
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Si3 N4 SiO2 N-Si[1 00 ] (a ) PoLy-Si Al (b ) 空气腔
(c)
(d )
利用该工艺制造多晶硅梁的过程： 1）在N型硅（100）基底上淀积一层Si3N4作为多晶硅的 绝缘支撑,并刻出窗口,如图(a)所示。利用局部氧化技术在 窗口处生成一层SiO2作为牺牲层,如图(b)所示； 2 ） 在 SiO2 层 及 余 下 的 Si3N4 上 生 成 一 层 多 晶 硅 膜 （ PoLy-Si) 并刻出微型硅梁 , 如图 (c) 所示。腐蚀掉 SiO2 层形 成空腔 , 即可得到桥式硅梁 , 如图 (d) 所示。另外 , 在腐蚀 SiO2层前先溅铝,刻出铝压焊块,以便引线。
无传动部件，因此体积小，重量轻。小尺寸芯片加上硅极高的弹性系数，敏感 元件的固有频率很高。在动态应用时，动态精度高，使用频带宽，合理选择设 计传感器外型，使用带宽可以从静态至100千赫兹。
感器灵敏度很高，一般满量程输出为100mv左右。因此对接口电路无特殊要求， 应用成本相应较低。
温度误差大: 须温度补偿、或恒温使用。
2 1 3 4 5
27
8 7 6
图中,1—反应气体A入口, 2—分子筛, 3—混合器, 4—加 热器, 5—反应室, 6—基片, 7—阀门, 8—反应气体B入口
2、微细加工技术
微细加工技术是利用硅的异向腐蚀特性和腐蚀速 度与掺杂浓度的关系,对硅材料进行精细加工、 制作复杂微小的敏感元件的技术。
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l l

＝ l l E
πl为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料种类及应力方向 与晶轴方向之间的夹角有关； E为半导体材料的弹性模量，与晶向有关。
R (1 2 l E ) R
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参考知识：晶向的表示方法
1)半导体单晶硅是各向异性材料; 2)硅是立方晶体，按晶轴建立座标系; 3)晶面：原子或离子可看作分布在相互平 行的一簇晶面上; 4)晶向：晶面的法线方向.